一文学会如何使用原型模式

原型模式是指原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型创建新的对象，属于创建型模式。

原型模式的核心在于拷贝原型对象。以系统中已存在的一个对象为原型，直接基于内存二进制流进行拷贝，无需再经历耗时的对象初始化过程（不调用构造函数），性能提升许多。当对象的构建过程比较耗时时，可以利用系统中已存在的对象作为原型，对其进行克隆（一般是基于二进制流的复制），躲避初始化过程，使得新对象的创建时间大大减少。我们先来看一个简单的案例结构图。

从UML图中，我们可以看出主要包含三个角色：

• 客户端

  客户端提出创建的请求

• 抽象原型

  规定拷贝接口

• 具体原型

  被拷贝的对象

应用场景

• 类初始化消耗资源较多
• new 产生的一个对象需要非常繁琐的过程（数据准备，访问权限等）
• 构造函数比较复杂
• 循环体中生产大量对象时

原型模式的通用写法

按照如上类图，一个标准的原型模式代码应该具有三部分。首先我们创建原型IPrototype接口：

public interface IPrototype<T> {

    T clone();

}

创建具体的需要克隆的对象ConcretePrototype：

public class ConcretePrototype  implements IPrototype{

    private int age;

    private String name;

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public ConcretePrototype clone() {
        ConcretePrototype current = new ConcretePrototype();
        current.setAge(this.age);
        current.setName(this.name);
        return current;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "ConcretePrototype{" +
                "age=" + age +
                ", name='" + name + '\'' +
                '}';
    }
}

测试代码：

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建原型对象
        ConcretePrototype prototype = new ConcretePrototype();
        prototype.setName("CC");
        prototype.setAge(18);
        System.out.println(prototype);

        // 拷贝
        ConcretePrototype clone = prototype.clone();
        System.out.println(clone);
    }
    
}

以上便是一个最简单的原型模式。虽然在这个简单场景下，我们这样操作好像复杂了，但是如果有几百个属性需要复制，采用这个方法就比较方便了。但是，上面的复制过程是我们自己完成的，在实际编码中我们一般不会做这种体力劳动，一般我们会采用浅克隆，深克隆两种方法。

浅克隆

普通写法中，我们是自己定义的一个克隆接口，实际上JDK已经帮我们实现了一个现成的API，我们只需要实现Cloneable接口即可。

我们来改造下ConcretePrototype类的代码：

public class ConcretePrototype  implements Cloneable {

    private int age;

    private String name;

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public ConcretePrototype clone() {
        try {
            return (ConcretePrototype) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "ConcretePrototype{" +
                "age=" + age +
                ", name='" + name + '\'' +
                '}';
    }
}

这个时候重新测试，可以得到同样的结果。通过这个方式再多的属性赋值我们也能轻而易举的搞定了。

但是这种方法也会有点问题，我们再来测试一下，首先我们在原型类中添加要给爱好属性：

@Data
public class ConcretePrototype  implements Cloneable {

    private int age;

    private String name;

    private List<String> hobbies;

    @Override
    public ConcretePrototype clone() {
        try {
            return (ConcretePrototype) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

}

修改客户端测试代码：

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建原型对象
        ConcretePrototype prototype = new ConcretePrototype();
        prototype.setName("CC");
        prototype.setAge(18);
        List<String> hobbies = new ArrayList<>();
        hobbies.add("书法");
        hobbies.add("音乐");
        prototype.setHobbies(hobbies);
        System.out.println(prototype);

        // 拷贝
        ConcretePrototype clone = prototype.clone();
        clone.getHobbies().add("游戏");
        System.out.println(clone); //克隆对象
        System.out.println(prototype); //原型对象
    }
}

ConcretePrototype(age=18, name=CC, hobbies=[书法, 音乐])
ConcretePrototype(age=18, name=CC, hobbies=[书法, 音乐, 游戏])
ConcretePrototype(age=18, name=CC, hobbies=[书法, 音乐, 游戏])

我们给克隆对象添加了一个爱好后，发现原型对象也发生了变化，这显然不符合我们的预期。因为我们希望克隆出来的对象应该和原型对象是两个独立的对象，不应该再有联系了。从测试结果分析来看，应该是hobbies共用了一个内存地址，意味着复制的不是值，而是引用的地址。这样的话如果我们修改任意一个对象的属性值，两个对象的值都会变化。这就是我们常说的浅克隆：只是完整复制了值类型数据，没有复制引用对象。这显然不是我们想要的结果，为了处理这个问题，我们需要使用到深克隆。

深克隆

深克隆我们这里主要使用序列化以及反序列化来实现，当然也可以使用其他方法，比如json的方式，通过json字符串将其转换为对象实习。

我们继续改造代码，增加一个deepClone方法。

由于使用序列化，所以我们需要实现Serializable接口。

@Data
public class ConcretePrototype  implements Cloneable,Serializable {

    private int age;

    private String name;

    private List<String> hobbies;

    @Override
    public ConcretePrototype clone() {
        try {
            return (ConcretePrototype) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    public ConcretePrototype deepClone() {
        try {
            ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
            oos.writeObject(this);

            ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
            ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);

            return (ConcretePrototype) ois.readObject();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
}

这个时候我们再去测试，发现结果是我们想要的了，两个对象互不影响。

如何解决克隆破坏单例模式

如果我们克隆的对象是单例对象，那意味着克隆就会破坏单例。实际上防止克隆破坏单例模式的解决思路非常简单，禁止克隆即可。要么我们直接单例类不实现Cloneable接口；要么我们重写clone方法，在clone方法中直接返回单例对象。

@Data
public class ConcretePrototype  implements Cloneable {

    private int age;

    private String name;

    private List<String> hobbies;

    private static ConcretePrototype instance = new ConcretePrototype();

    private static ConcretePrototype getInstance(){
        return instance;
    }

    @Override
    public ConcretePrototype clone() {
        return instance;
    }
    
}

优缺点

优点

• 性能优良，基于内存二进制流的拷贝，比直接new一个对象性能上提升了许多。
• 可以使用深克隆方式保存对象的状态，使用原型模式将对象复制一份并保存起来，简化了创建对象的过程，以便在需要的时候使用，类似撤销操作

缺点

• 需要为每个类配置一个克隆方法
• 克隆方法位于类的内部，当对已有类改造的时候需要又改代码，破坏了开闭原则。
• 在实现深克隆时需要编写较复杂的代码，而且当对象之前存在多重嵌套引用时，为了实现深克隆，每一层对象对应的类都必须支持深克隆，实现起来比较麻烦。